Geum.ru

Задачи: ознакомится с основами сканирующее зондовой микроскопии; изучить строение и свойства фуллеренов и углеродных нанотрубок; ознакомиться с методами получения углеродных нанотрубок

Вид материалаДокументы

Содержание


Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии.
1. Молекулярный дизайн.
Подобный материал:
Введение.
“Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией”.

Ральф Меркле

Вы не знаете, что такое нанотехнологии? На что похож фуллерен и чем уникальна нанотрубка? Никогда не слышали про Космический лифт, который НАСА планирует построить к 2018 году? А про японские автомобили на экологически чистых топливных ячейках? Не знаете из чего можно сделать наноробота и как работают самоочищающиеся покрытия? ,

Нанотехнологии - это "самые высокие" технологии, на развитие которых ведущие экономические державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в ХХ произвели компьютеры в манипулировании информацией", а их развитие изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества.

Актуальность темы обусловлена значимостью нанотехнологий в нашей жизни, в глобальных масштабах мирового общества.

Объектом: изучение свойств углеродных нанотрубок как физических объектов.

Предмет: применение нанотехнологий в науке и технике.

Цель работы: рассмотрение строения и свойств углеродных нанотрубок и области их применения.

Задачи:

- ознакомится с основами сканирующее – зондовой микроскопии;

- изучить строение и свойства фуллеренов и углеродных нанотрубок;

- ознакомиться с методами получения углеродных нанотрубок;

- рассмотреть область применения нанотехнологий в науке и технике;

Идея создания технологий в масштабах нанометра впервые пришла в голову нобелевскому лауреату Ричарду Фейнману (Richard Feynman). В 1959 году он высказался о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров - лекция "Там внизу ещё много места" ("There is plenty of space on the bottom"): "ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов".

Само понятие "нанотехнология" было введено японцем Норио Танигучи (Norio Taniguchi) в 1974, он предложил называть так технологии и механизмы, размером менее одного микрона, а так же дал краткое определение нанотехнологии, как: междисциплинарной, образующей технологии, позволяющей "технологично" (воспроизводимо, по описанным процедурам) производить исследования, манипуляцию и обработку вещества в диапазоне размеров и с допусками 0,1/100 нм.

В 1985 Ричардом Смолли (Richard Smalley) открыты фуллерены - молекулы углерода в форме шара (молекула С60, атомы углерода в которой расположены в углах пяти- и шестиугольников, образуя форму мяча). В 1991 Суоми Иияма (Suomi Iiyama) из компании NEC открыл углеродные нанотрубки.

Нанотехнологии смогут помочь человечеству достигнуть очень амбициозных (даже фантастических) задач:
  • создание новейших промышленных технологий на атомарном и молекулярном уровнях;
  • твердых тел и поверхностей (материалов и пленок) с измененной молекулярной структурой, что даст сверхпрочные металлы, ткани, пластмассы; самовосстанавливающиеся материалы;
  • новых химических веществ посредством составления из молекул, т.е. без химических реакций;
  • логических наноэлементов и нанокомпьютеров (миниатюризация и повышение вычислительной мощности компьютеров), и сверхпроводников нового типа (сверххолодных);
  • вычислительных устройств на белковых молекулах;
  • искусственных аналогов живых организмов (растений и животных);
  • нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;
  • роботов-врачей для имплантации в организм (для устранения генетических и физиологических повреждений на клеточном и надклеточном уровнях);
  • нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;
  • Разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов - бактерий, вирусов, простейших;

В 1981 году Эриком Дрекслером (Eric Drexler) была видвинута гипотетическая проблема нанотехнологий - "серая слизь" (grey goo problem), а 1986 выходит книга Эрика Дрекслера (Eric Drexler) "Машины Создания" ("Engines of Creations"). В ней учёный высказывает концепцию, по которой с помощью нанотехнологий можно последовательно собирать макрообъекты из отдельных атомов и молекул. С идеей создания нанороботов (которые по прогнозам должны появится через 10-15 лет) не согласен ученый Ричард Смолли (Richard Smalley), а сo-основатель Sun Microsystems Билл Джой (Bill Joy) вообще считает, что исследования в данной области надо прекратить.

Первые средства для нанотехники были изобретены IBM. В 1982 году Гердом Биннигом (Gerd Binnig) и Генрихом Рорером (Genirh Rorer) был создан растровый туннельный микроскоп, за что его создатели получили Нобелевскую премию, а уже в 1986 году - атомный силовой микроскоп, который позволяет рассматривать атомы не только металлов. В 1989 американский исследователь Дон Эйглер (Don Egler)разместил атомы на металлической поверхности и сделал из них надпись "IBM".

С разработкой данного микроскопа появилась возможность видеть отдельные атомы. Для подобных особо точных измерений исследователи применяют эффекты квантовой физики. Когда зонд микроскопа приближается к поверхности на расстояние, равное размеру нескольких атомов (~ 0,5-1,0 нм), между ними (после подачи на них рабочего напряжения) возникает электрический ток, хотя контакта между зондом и поверхностью в привычном понимании нет. Электрический ток протекает благодаря так называемому "туннельному эффекту", из-за которого получил свое название и микроскоп. Феномен заключается в том, что электрон может преодолеть барьер (то есть потенциальный барьер, образованный разрывом электрической цепи - небольшим промежутком между зондирующим микроострием и поверхностью образца), даже не обладая достаточной энергией, т.е. он "туннелирует" сквозь эту преграду. Величина протекающего тока позволяет измерить расстояние между зондом и поверхностью, сканирование которой производится последовательно атом за атомом, давая точнейшую картину поверхности исследуемого материала.

Некоторые исследователи указывают на то, что до сих пор нет сколько-нибудь реальных концепций дальнейшего развития нанотехнологий…

Предмет, цели и основные направления в нанотехнологии. Согласно энциклопедическому словарю, технологией называется совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции.

Особенность нанотехнологий заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных масштабов. В этом диапазоне размеров сырьем являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы, а не привычные в традиционной технологии микронные или макроскопические объемы материала, содержащие, по крайней мере, миллиарды атомов и молекул. В отличие от традиционной технологии, для нанотехнологии характерен .индивидуальный. подход, при котором внешнее .управление. достигает отдельных атомов и молекул, что позволяет создавать из них как .бездефектные. материалы с принципиально новыми физико-химическими и биологическими свойствами, так и новые классы устройств с характерными наномеровыми размерами. К настоящему времени понятие нанотехнология не устоялось и отсутствует в широко доступных энциклопедиях. Поэтому предлагается дать следующее рабочее определение.

Нанотехнологией называется междисциплинарная область науки, в которой изучаются закономерности физико-химических процессов в пространственных областях нанометровых размеров с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, нанострутур, наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами.

Анализ текущего состояния позволяет выделить в нанотехнологии ряд

важнейших направлений.

1. Молекулярный дизайн. Препарирование молекул и синтез новых молекул в сильно неоднородных электромагнитных полях.

2. Наноматериаловедение. Создание бездефектных высокопрочных материалов, материалов с высокой проводимостью.

3. Наноприборостроение. Создание сканирующих туннельных микроскопов, атомно-силовых микроскопов, магнитных силовых микроскопов, многоострийных систем для молекулярного дизайна, миниатюрных сверхчувствительных датчиков, нанороботов.

4. Наноэлектроника. Конструирование нанометровой элементной базы для ЭВМ следующего поколения, нанопроводов, полевых транзисторов, выпрямителей, дисплеев, акустических систем.

5. Нанооптика. Создание нанолазеров, синтез многоострийных систем с нанолазерами.

6. Нанокатализ. Разработка катализаторов с наноструктурами для классов

реакций селективного катализа.

7. Наномедицина. Проектирование наноинструментария для уничтожения

вирусов, локального ремонта+ органов, высокоточной доставки доз лекарств в определенные места живого организма.

8. Нанотрибология. Определение связи наноструктуры материалов и сил трения и использование этих знаний для изготовления перспективных пар трения.

9. Управляемые ядерные реакции. Наноускорители частиц, не статистические ядерные реакции.